第三章材料的介电性能

＋ ——
— —— —
应用： 驻电体：能长时间保持极化结构的聚合物为驻极体。
实际中需要一种驻电体。试从(C2H4)n, (C2H2F2)n, (C2F4)n中选用。 由于(C2H4)和 (C2F4）团均是对称的，C2H2F2是非对称结构，另外C-F键具
有键极性，(C2H2F2)n易发生取向极化，是普通的工业驻电体之一。
相对介电常数：εr
r
C C0
0
介电常数（电容率）： =0r(F/m)
介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。
3）电介质的极化： 介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料 电介质：在电场作用下能建立极化的物质。
在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外 电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷， 负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷 称为感应电荷，又称束缚电荷。 极化：电介质在电场作用产生束缚电荷的现象。
3）电子驰豫极化 ：由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，化学成分局部改变等因素，使电 子能态发生改变，导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子，在热运动和电场作用下建 立相应的极化状态。
不可逆；反应时间为 10-2－10-9S；产生于Nb,bi,Ti为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有 极大值。
4）离子驰豫极化 ： 弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自 身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建 立的极化为离子弛豫极化。
ql
电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构.
2）极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动， 也不能离开，总保持电中性。
极化强度P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子 表面电荷密度σ；
P
V
它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)外加电场；(2)极化电荷自身的电场
热运动：无序 电 场：有序
d
02
3kT
为无外电场时的均方偶极矩。
（1） 在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的；
（2） 响应时间 10-2~10-10S
（3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的偶极子是永久性的
。
（4）随温度＋变化有极大值
＋
＋
——
— —— —
＋
＋
E
＋ ——
不可逆；反应时间为 10-2－10-5S；随温度变化有极大值。
Ta
q2 2
12 k T
Ta极化率 ；q为离子荷电量； δ为弱离子电场作用下的迁移；
5) 取向极化：沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质 整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极 化（或偶极子极化）。
3.1 电介质及其极化
6) 空间电荷极化： 可动的载流子受到电场作用移动，受到阻碍 而排列于一个物理阻碍前面时产生的极化 。 物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷 。
➢ 反应时间很长，几秒到数十分钟； ➢ 随温度升高而减弱； ➢ 存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；
小结：
（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。 （2）材料的组织结构影响极化机制。
例：一个简单的平行板电容器，3kV时存10-4C的电荷 ，电介质厚0.02cm, 计算使用面积。（分真空， BaTiO3，云母三种情况，介电常数分别为1、3000 和7）
3.1.3 极化相关的物理量 1）电偶极矩：带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩
对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性 分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。
3.1 电介质及其极化
3.1.2 介电常数
CQ A
Vd
1）材料因素：ε 材料在电场中被极化的能力
2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积
如果介电介质为真空： C0 VQ0A/d
在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，C>C0
CrC 0r0A/d
真空介电常数：ε0 =8.85×10-12 F. m-1(法拉/米)
Pe0E
Xe: 极化率, 不同材料具有不同的值。
可以证明： 所以有：
e r 1 Pe0E
P0E(r1)
令电位移D为： D0EP
代入得：
D 0 E P 0 E 0 E (r 1 ) 0 E r E
在各向同性的电介质中，电位移等于场强的ε倍。
3.1.4 电介质极化的机制： 电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、 原子、分子和空间电荷情况。 位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位 移极化和离子位移极化。 1）电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的 电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个 暂时的感应的偶极子。 ➢ 这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S ➢ 可逆 ➢ 与温度无关 ➢ 产生于所有材料中
电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关
E
- +-
-
d
- - +-
-
e
4 3
0R3
例：500V的电场作用下，Ni原子的电子云从原子核的电荷中心偏离109nm,Ni为FCC结构，晶格常数为0.351nm, 设金属中所有电子对电子极 化均有贡献，计算极化强度（Ni的原子序数为28）。
2）离子位移极化：
离子、取向极化
原子种类和键合类型
空间电荷极化
面缺陷
（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，
只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。
光学性质 介电性质
电子极化 离子极化
取向ห้องสมุดไป่ตู้化 空间电荷极化
电磁波谱中可 见光的辐射
红外波段
极化晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，
形成一个感生偶极矩。
➢ 可逆;
➢ 反应时间为10-13-10-12S ➢ 温度升高，极化增强 ➢ 产生于离子结构电介质中
a
a3 4
n1
0
离子位移极化率：
式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数，
对于离子晶体n为7-11
-++-+
-
-
+
E
-
+
+
驰豫极化：外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与带电质点的热运动密切相关。热运动使这些 质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。为非可逆过程。